Les moteurs moléculaires permettent le transport actif de molécules et d’organelles le long de filaments polaires du cytosquelette de la cellule eucaryote. Les filaments peuvent s’organiser en réseaux parallèles, antiparallèles, ou désordonnés. Malgré son importance, l’influence de l’architecture du cytosquelette sur le transport de cargos par des moteurs moléculaires est souvent ignorée. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé des patrons surfaciques de nucléation pour contrôler la géométrie de polymérisation de filaments d’actine. Cette approche permet de reproduire in vitro les trois types de réseaux qui sont observés in vivo. En adsorbant des moteurs moléculaires purifiés à la surface de nano-billes fluorescentes (diamètre 200 nm), nous avons étudié le transport de ces cargos dans des réseaux antiparallèles émergeant de deux lignes de nucléation parallèles. Nous avons observé que les billes recouvertes de moteurs processifs HMM-V (Heavy Mero-Myosine V) génèrent des mouvements dirigés en direction du milieu du réseau où la polarité moyenne des filaments est nulle et où les billes s’accumulent. De plus, la distribution de positions des billes à l’état stationnaire peut être déduite des profils de vitesse et de diffu-sion des billes, indiquant que le transport actif suit un processus de convection-diffusion. Les billes recouvertes de moteurs non-processifs HMM-II (Heavy Mero-Myosine II) dé-montrent des comportements similaires. Cependant, bien que le gradient de vitesse des billes HMM-II soit plus important que pour les billes HMM-V au centre du réseau, le coeffi-cient de diffusion l’est bien davantage. Le centrage de ces billes est ainsi moins précis qu’avec la HMM V. A notre surprise, nous avons observé que la précision du centrage ne dépend pas de l’espacement entre les deux lignes de nucléation, donc de la taille du sys-tème. Le comportement des billes est décrit par un modèle à trois états dans lequel la bille sonde localement la polarité nette du réseau en se détachant et en se rattachant fré-quemment aux filaments. Une séquence stochastique de déplacements dirigés dans un état attaché aux filaments et d’explorations diffusives dans un état détaché, conduit à une marche aléatoire biaisée avec un coefficient de diffusion et une vitesse effectifs. Notre description physique indique que la précision du positionnement des billes dépend du gra-dient de polarité nette du réseau de filaments ainsi que de la distance moyenne de par-cours des billes dans l’état attaché à l’actine. Nos résultats démontrent ainsi le rôle clef que joue l’architecture du réseau de filaments sur les propriétés du transport. Dans la cellule, les moteurs moléculaires permettent également la réorganisation des filaments du cytosquelette. En ajoutant nos moteurs moléculaires en solution, nous avons observé qu’un réseau de filaments d’actine parallèles, polymérisés in vitro à partir d’une ligne ou d’un disque de nucléation, peut former spontanément des faisceaux oscil-lants. Ces oscillations ressemblent aux battements du flagelle du spermatozoïde. En parti-culier, le système génère des ondes de déformation transverses se propageant de la base à l’apex du faisceau oscillant à une vitesse de 0,5 µm/s. Au cours du temps, les faisceaux d’actine s’épaississent, ce qui conduit à un ralentissement de l’oscillation avec une période qui croît de 25 s à 40 s. De plus, nous avons observé que des faisceaux d’actine voisins sont capables de se synchroniser, comme c’est le cas entre les deux flagelles de l’algue Chlamydomonas. Notre système acto-myosine minimal permet donc d’imiter le battement de flagelles, bien que la nature des moteurs moléculaires et des filaments en jeu soit com-plètement différente. Ainsi, ce système fournit un nouvel outil pour étudier les propriétés physiques génériques du battement flagellaire. / Molecular motors navigate the cytoskeleton to position vesicles and organelles at specific locations in the cell. Cytoskeletal filaments assemble into parallel, antiparallel or disordered networks, providing a complex environment that constrains active transport properties. Using surface micro-patterns of nucleation-promoting factors to control the geometry of actin polymerization, we studied in vitro the interplay between the actin-network architec-ture and cargo transport by small myosin assemblies. With two parallel nucleation lines, we produced an antiparallel network of overlapping filaments. We found that 200nm beads coated with processive myosin V motors displayed directed movements towards the mid-line of the pattern, where the net polarity of the actin network was null, and accumulated there. The bead distribution was dictated by the spatial profiles of bead velocity and diffu-sion coefficient, indicating that a diffusion-drift process was at work. Interestingly, beads coated with skeletal heavy mero-myosin II motors showed a similar behavior. However, although velocity gradients were sharper with myosin II, the much larger bead diffusion observed with this non-processive motor resulted in less precise positioning. Strikingly, bead positioning did not depend on the spacing between the nucleation lines. Our observa-tions are well described by a three-state model of bead transport, in which active beads locally sense the net polarity of the filament network by frequently detaching from and re-attaching to the filaments. A stochastic sequence of processive runs and diffusive search-es results in a biased random walk with an effective drift velocity and diffusion coefficient. Positioning relies on spatial gradients of the net actin polarity, as well as on the run length of the cargo in the attached state. Altogether, our results on a minimal acto-myosin system demonstrate the key role played by the actin-network architecture on motor transport. Molecular motors can also deform and reorganize the cytoskeleton. Adding heavy mero-myosin II or V in bulk, we observed that parallel networks of actin filaments emerg-ing from a nucleation line or disk can self-assemble into bundles that beat periodically like the flagellum of the spermatozoid. In a preliminary analysis, we observed waves of defor-mation travelling from the base to the tip of the bundle at a speed of 0,5 µm/s. As time went by, the bundles grew thicker, resulting in an increase of the beating period (range: 25-40 s). In addition, neighboring actin ‘flagella’ were able to synchronize, as observed in vivo for instance with the the two flagella of the algae Chlamydomonas. Our minimal acto-myosin system thus mimicked key properties of microtubule-based flagellar beating, de-spite the different nature of the motors and cytoskeletal filaments involved. This system thus provides a new tool to study the generic physical properties of flagellar beating.

Plusieurs méthodes de capture antigénique ont été décrites dans l’intestin grêle, surtout en cas d’infection: échantillonnage direct par les cellules dendritiques (DC), capture par les macrophages qui délivrent ensuite l’antigène aux DC du stroma, passage des antigènes à travers les cellules caliciformes. Des travaux antérieurs in vitro dans le laboratoire ont montré l’importance de la myosine IIA dans la coordination de la migration des DC avec la capture et de l’apprêtement antigénique. L’objectif de ma thèse était de combiner plusieurs méthodes d’imagerie telle que la microscopie intravitale, la microscopie confocale ex vivo et l’immunofluorescence sur tissus à la cytométrie en flux pour déterminer l’impact de la myosine IIA sur la capture antigénique in vivo. Cette étude montre que les DC patrouillent en permanence dans l’épithélium de l’intestin grêle, y compris hors conditions infectieuses. Elles sont recrutées dans la lamina propria (LP) et pénètrent dans l’épithélium par transmigration à travers la membrane basale qui sépare ces deux compartiments. La myosine IIA est indispensable à la transmigration de CD103+CD11b+DC. Ces événements de transmigration surviennent plus fréquemment dans les parties proximales de l’intestin grêle, duodénum and jéjunum, que dans l’iléon. Chez les souris adultes, ces DC ne sont pas recrutées sous l’influence du microbiote mais sont sensibles au rétinal, un métabolite de la vitamine A qu’elles transforment en une molécule active l’acide trans-rétinoïque (AtRA). D’après notre analyse transcriptomique, les DC intra-épithéliales constituent une population homogène dont le profil est distinct de celui de leurs homologues de la LP. Elles sont enrichies en ARN des voies liées à l’apprêtement antigénique, l’autophagie et les lysosomes. Ces résultats suggèrent qu’elles ont une fonction différente des CD103+CD11b+DC de la LP: elles n’agissent pas sur la prolifération ni la différenciation des lymphocytes T mais contrôlent spécifiquement l’effectif des lymphocytes intra-épithéliaux CD8+αβ. Ces découvertes reflètent l’importance de l’épithélium comme première ligne de défense contre les pathogènes. Elles soulèvent également de nouvelles questions concernant la régulation de la réponse immune dans l’épithélium et les interactions mutuelles entre la lumière intestinale, l’épithélium et le stroma des villosités. / Several routes for antigen capture have been described in the small intestine, mainly upon pathogenic infection: direct sampling by Dendritic Cells (DCs), sampling by macrophages that deliver antigens to DCs in the stroma, antigenic passage through goblet cells. Previous in vitro work in the lab showed that myosin IIA is essential to coordinate antigen uptake and processing with DC migration. The objective of my thesis was to combine several imaging methods including intravital microscopy, ex vivo confocal microscopy and immunofluorescence on gut tissue to flow cytometry in order to unravel the impact of myosin IIA on DC physiology in vivo. My work shows that CD103+CD11b+ DCs, which are unique to the gut, constantly patrol the epithelium of the small intestine at steady state: they are recruited from the lamina propria (LP) and penetrate into the epithelium by transmigrating through the basal membrane that separates these two compartments. DC transmigration requires myosin IIA in vivo. Remarkably, we found that DC transmigration into the epithelium occurs mainly in the upper parts of the small intestine, the duodenum and the jejunum, but is not observed in the ileum. DC transmigration does not require the gut microbiota but relies on retinal, a vitamin A metabolite of that they convert into its active form all-trans retinoic acid (AtRA). Strikingly, single cell RNA-seq showed that intra-epithelial CD103+CD11b+ DCs constitute a homogenous cell population with a distinct transcriptomic signature from their LP counterpart. They are enriched with RNA related to antigen presentation, autophagy and lysosome pathways. Our results further suggest that these cells have a different function from LP CD103+CD11b+ DCs, as they do not significantly impact proliferation or differentiation of T helper lymphocytes but control the CD8+αβ intraepithelial lymphocytes (IELs) pool. These findings highlight the importance of the epithelial tissue as a first line of defense against pathogens in the upper parts of the small intestine. They also raise new questions about the regulation of the immune response in the epithelium and the mutual influences between lumen, epithelium and intestinal lamina propria.

Les cellules neuroendocrines possèdent d’une part la voie de sécrétion constitutive, existant dans tous les types cellulaires, qui permet le renouvellement continu de la membrane plasmique et de la matrice extracellulaire, et d’autre part la voie de sécrétion régulée, spécifique aux cellules sécrétrices, qui permet la sécrétion d’hormones suite à la stimulation de la cellule. Les organites impliqués dans cette dernière voie sont des granules de sécrétion à cœur dense (GS), sui stockent les hormones ainsi que les glycoprotéines solubles, les granines. Parmi ces dernières, la chromogranine A (CgA) joue un rôle majeur dans la biogénèse des GS mais les mécanismes moléculaires ne sont pas clairement définis. Dans une lignée de cellules non-endocrines COS7 (dépourvues de granines et donc de voie de sécrétion régulée), mon équipe d’accueil a démontré que l’expression de la CgA induit la formation de vésicules présentant une structure et des fonctions caractéristiques des GS. L’analyse du protéome des GS purifiés à partir d’une lignée de cellules COS7 exprimant de manière stable la CgA (COS7-CgA) a révélé la présence de protéines liant les éléments du cytosquelette et le calcium. Durant ma thèse, nous avons focalisé notre attention sur la myosine 1b (myo1b), l’actine et le complexe de nucléation de l’actine Arp2/3 du fait de leur capacité à induire le bourgeonnement de compartiments post-golgiens dans des cellules non-endocrines. Nous avons montré (i) que la myo1b contrôle la formation des GS ainsi que la sécrétion régulée au sein des cellules COS7-CgA et des cellules neuroendocriniennes PC12, et (ii) que la myo1b et le complexe Arp2/3 permettent le recrutement d’actine fibrillaire dans la région golgienne et la formation des GS. Ces travaux montrent pour la première fois l’implication du complexe actomyosine dans la formation des GS. Afin d’identifier le lien moléculaire entre la CgA luminale et la myo1b cytosolique, nous avons recherché les interactions potentielles de la CgA avec les lipides de la membrane du réseau trans-golgien (TGN). Nous avons montré (i) que la CgA interagit avec l’acide phosphatidique (PA), (ii) que les espèces de PA prédominantes sont communes dans les membranes golgienne et granulaire, (iii) que la CgA est capable d’interagir spécifiquement avec des espèces de PA intégrées avec des membranes artificielles et (iv) que l’inhibition de la production du PA au niveau golgien altère significativement la formation des GS et la sécrétion régulée dans les cellules neuroendocrines. L’ensemble des résultats obtenus dans le cadre de ma thèse suggère que l’interaction entre la CgA et le PA est cruciale pour la biogenèse de GS à partir de la membrane du TGN. Nous émettons l’hypothèse que cette interaction est à l’origine de la formation de microdomaines enrichis en PA qui contrôleraient la courbure de la membrane du TGN et le recrutement du complexe actomyosine. / Neuroendocrine cells exhibit the constitutive secretory pathway which is common all cell types and allows the continuous renewal of the plasma membrane and the extracellular matrix, and the regulated secretory pathway, which is specific to secretory cells and allows hormone secretion following cell stimulation. The organelles supporting the latter pathway are dense-core secretory granules (SG), which store hormones and soluble glycoproteins, called granins. Among these, chromogranin A (CgA) plays a major role in the biogenesis of SG but the molecular mechanisms underlying this process are not clearly understood. Using non-endocrine COS7 cell line (which are devoid of granins and regulated secretory pathway), my host team has demonstrated that the CgA expression induces the formation of vesicles with structural and functional characteristic of SG. The proteome analysis of purified SG from a COS7 cell line stably expressing CgA (COS7-CgA) revealed the presence of cytoskeleton- and calcium-binding proteins. During my thesis, we focused our attention on myosin 1b (myo1b), actin and actin nucleation complex Arp2/3 due to their ability to induce the budding of post-Golgi compartments in non-endocrine cells. We have shown (i) that myo1b controls SG formation as welle as the regulated secretion in COS7-CgA and PC12 neuroendocrine cells, (ii) that myo1b and Arp2/3 complex are required to recruit fibrillar actin (F-actin) to the Golgi region and to SG formation. These results highlight for the first time the involvement of the actomyosin complex in SG formation. In order to identify the molecular link between luminal CgA and Cytosolic myo1b, we investigated the potential interactions of CgA with lipids of the trans-Golgi network (TGN) membrane. We showed (i) that CgA interacts with phosphatidic acid (PA), (ii) that the predominant PA species are common in Golgi and granular membranes, (iii) that Cg Ais able to interact specifically with these PA species included in artificial membranes, and (iv) that inhibition of PA production at the Golgi level significantly alters SG formation and regulated secretion in neuroendocrine cells. All these results obtained during my thesis suggest that the interaction between CgA and PA is crucial for SG biogenesis from the TGN membrane. We suggest that this interaction is at the origin of the formation of PA-enriched microdomains that could control the curvature of the TGN membrane and the recruitment of the actomyosin complex.

Les encéphalopathies épileptogènes sont des maladies graves de l’enfance associant une épilepsie, souvent réfractaire, et un retard de développement. Les mécanismes sous-tendant ces maladies sont peu connus. Cependant, nous postulons que ces épilepsies puissent être causées par une dysfonction du réseau inhibiteur. En effet, des défauts de migration ou de maturation des interneurones GABAergiques (INs) corticaux induisent l’épilepsie, tant chez l’humain que chez la souris. Dans le but d’étudier les causes génétiques des encéphalopathies épileptogènes sporadiques inexpliquées, le laboratoire de la Dre Rossignol a procédé au séquençage d’exome entier d’une cohorte d’enfants atteints. Cela a permis d’identifier, chez un patient, une nouvelle mutation de novo, possiblement pathogène, dans le gène MYO9b. MYO9b est impliqué dans la migration de cellules immunitaires et cancéreuses et est exprimée durant le développement cérébral. Nous émettons l’hypothèse voulant que MYO9b puisse être importante pour la migration des INs corticaux. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que Myo9b est exprimé dès le stade embryonnaire par les progéniteurs des INs corticaux et que son expression se restreint aux INs dans le cortex mature. De plus, nous démontrons que la répression ex vivo de Myo9b sélectivement dans les INs au sein de tranches corticales organotypiques embryonnaires mène à des défauts morphologiques majeurs de ces cellules en migration. En effet, ces cellules présentent une morphologie multipolaire et des neurites rostraux plus longs et plus complexes. Ces changements morphologiques pourraient avoir un impact majeur sur la migration des INs et ainsi perturber le développement des réseaux inhibiteurs. / Epileptic encephalopathies are early-onset diseases characterized by refractory epilepsy with developmental delay. To identify the underlying genetic cause of these disorders, Dr Rossignol’s laboratory has performed whole-exome sequencing in children with sporadic epileptic encephalopathies. They have identified a novel de novo mutation in the MYO9B gene in one patient. Myo9b is known to regulate cell migration in the immune system and in cancer cells. It is expressed in the developing rodent brain, but its roles during brain development are largely unknown. Recent evidence suggests that epilepsy can be caused by an imbalance between inhibition and excitation in cortical circuits. Indeed, defects in the development or the functions of cortical GABAergic interneurons (INs) have been associated with epilepsy in human and in mouse models. Therefore, we postulated that Myo9b might play a role in the development of INs. In this thesis, I show that Myo9b is expressed in INs from early embryonic ages to post-natal ages. Furthermore, I demonstrate that the ex vivo downregulation of Myo9b in INs in cortical embryonic organotypic cultures causes morphological defects in migrating INs, including aberrant polarization of these cells. These morphological changes might result in aberrant IN migration, which would be expected to perturb the cortical inhibitory-excitatory ratio.

L’émergence de comportements collectifs cellulaires n’est pas bien comprise. Nous l’abordons dans deux systèmes biologiques. A l'échelle du micromètre lors de la constriction de l’anneau cytokinétique, nous montrons que des complexes d’acto-myosine s’auto-organisent sous forme d’agrégats dans la levure à fission et dans la cellule de mammifères. Ces auto-organisations découlent de règles d'interactions communes mais pour des fonctions distinctes, le transport et la génération de stress respectivement. A l'échelle de 100 micromètres, nous observons des pulsations corrélées de cellules épithéliales. Nous montrons les rôles du frottement avec la surface, et le couplage entre l’aire cellulaire, sa hauteur et sa contractilité. Nous présentons aussi deux études, des polyamines synthétiques pour étudier la polymérisation d'actine in vivo, puis l’inversion de sens dans la migration - la ratchetaxie. Cette thèse illustre l'importance des phénomènes physiques dans la dynamique cellulaire. / The emergence of collective behavior from the interaction of individual units is not clear. In this thesis, we address this question in two different systems at different scales. At the micrometer scale during cytokinetic ring constriction, we show that acto-myosin self-organizes into rotating and static clusters in fission yeast and mammalian cells. These self-organizations arise from common interaction rules, but to serve distinct functions, transport and stress generation respectively. At 100 micrometers scale, we report correlated pulsations of cells in an epithelial monolayer. We show the key roles of substrate friction, and the tight coupling between cell area, cell height and contractility. We also present two other studies: synthetic polyamines for studying actin polymerization in vivo, and direction reversal in single cell migration during ratchetaxis. Altogether, this PhD illustrates the importance of physical phenomena in cellular dynamics.

Durant ce travail, deux approches ont été explorées. <br /> Dans la première, j'ai quantifié le dégonflement osmotique de liposomes remplis d'un gel d'agarose. La fabrication de tels systèmes reconstitués vise à permettre de mimer le comportement de cellules soumises aux mêmes contraintes. En particulier, j'ai observé que ces liposomes fonctionnalisés acquièrent des morphologies crénelées lors de leur dégonflement pour une concentration du gel comprise entre 0.07 et 0.18 % en masse. Ces formes originales ressemblent à celles d'échinocytes parfois prises par les globules rouges. Le gel est responsable de l'apparition de ces formes, ne modifie pas les cinétiques de dégonflement mais sa pression élastique arrête précocement le dégonflement comparativement aux liposomes aqueux, mettant en évidence un phénomène de rétention d'eau.<br /> Dans la deuxième approche, j'ai étudié l'effet de contraintes hydrodynamiques sur des amibes Dictyostelium adhérentes à un substrat et ai quantifié la réorganisation mécanosensible du cytosquelette de ces cellules vivantes. Pour obtenir les cinétiques de relocalisation de protéines majeures du cytosquelette en réponse aux forces d'un flux, j'ai marqué l'actine et la myosine-II avec des protéines fluorescentes et ai fabriqué une chambre à flux permettant de changer rapidement la direction du flux. J'ai montré que les cellules s'orientent contre les forces du flux et se réorientent contre en inversant leur polarité après une inversion du flux : d'abord l'actine dépolymérise puis des protrusions sont émises contre les nouvelles forces mécaniques, et 15 sec plus tard, l'arrière rétracte en utilisant la myo-II. De plus, la contractilité du système actine-myosine n'est pas nécessaire pour sentir les forces. Des expériences similaires en inversant la direction d'un gradient de chimioattractants montrent que ce processus de réorientation cellulaire n'est pas spécifique d'expériences sous flux. Ce travail met en évidence l'existence d'un signal inhibiteur rapide menant à la dépolymérisation de l'actine, signal qui n'est pas pris en compte dans les modèles actuels expliquant la réponse chimiotactique. Enfin, les outils de visualisation que j'ai développés permettent d'étudier le rôle de protéines et de structures cellulaires dans la mécanotransduction.

Le complexe actomyosine, formé de l’association de la myosine II avec les filaments d’actine, stabilise le cytosquelette d’actine et génère la contraction cellulaire nécessaire à plusieurs processus comme la motilité et l’apoptose dans les cellules non-musculaires. La myosine II est un hexamère formé d’une paire de chaînes lourdes (MHCs) et de deux paires de chaînes légères MLC20 et MLC17. La régulation de l’activité de la myosine II, c'est-à-dire son interaction avec les filaments d’actine, est directement liée à l’état de phosphorylation des MLC20, mais il reste beaucoup à découvrir sur l’implication des MHCs. Il existe trois isoformes de MHCs de myosine II, MHCIIA, MHCIIB et MHCIIC qui possèdent des fonctions à la fois communes et distinctes. Notre but est de mettre en évidence les différences de fonction entre les isoformes de myosine II, au niveau structurale, dans la stabilisation du cytosquelette d’actine, et au niveau de leur activité contractile, dans la génération des forces de tension. Nous nous sommes intéressés au rôle des isoformes des MHCs dans l’activité du complexe actomyosine qui est sollicité durant le processus de contraction cellulaire de l’apoptose. Dans quatre lignées cellulaires différentes, le traitement conjoint au TNFα et à la cycloheximide causait la contraction et le rétrécissement des cellules suivi de leur détachement du support de culture. Par Western blot, nous avons confirmé que la phosphorylation des MLC20 est augmentée suite au clivage de ROCK1 par la caspase-3, permettant ainsi l’interaction entre la myosine II et les filaments d’actine et par conséquent, la contraction des cellules apoptotiques. Cette contraction est bloquée par l’inhibition des caspases et de ROCK1. MHCIIA est dégradée suite à l’activation de la caspase-3 alors que MHCIIB n’est pas affectée. En utilisant une lignée cellulaire déficiente en MHCIIB, ou MHCIIB (-/-), nous avons observé que la contraction et le détachement cellulaires durant l’induction de l’apoptose se produisaient moins rapidement que dans la lignée de type sauvage (Wt) ce qui suggère que l’isoforme B est impliquée dans la contraction des cellules apoptotiques. Parallèlement, la kinase atypique PKCζ, qui phosphoryle MHCIIB et non MHCIIA, est activée durant l’apoptose. PKCζ joue un rôle important puisque son inhibition bloque la contraction des cellules apoptotiques. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la modulation de la morphologie cellulaire par la myosine II. Les fibroblastes MHCIIB (-/-), présentent un large lamellipode dont la formation semble dû uniquement à l’absence de l’isoforme MHCIIB, alors que les fibroblastes Wt ont une morphologie cellulaire étoilée. La formation du lamellipode dans les fibroblastes MHCIIB (-/-) est caractérisée par l’association de la cortactine avec la membrane plasmique. L’observation en microscopie confocale nous indique que MHCIIA interagit avec la cortactine dans les fibroblastes Wt mais très peu dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Le bFGF active la voie des MAP kinases dans les fibroblastes Wt et MHCIIB (-/-) et induit des extensions cellulaires aberrantes dans les fibroblastes MHCIIB (-/-). Nos résultats montrent que l’implication de l’isoforme B de la myosine II dans la modulation de la morphologie cellulaire. L’ensemble de nos résultats participe à distinguer la fonction structurale et contractile de chacune des isoformes de myosine II dans la physiologie cellulaire. / We are interested in studying the modulation of the actomyosin complex which is involved in different cellular processes such as cell locomotion and apoptosis. The actomyosin complex is formed by the association of actin filaments and myosin II. The non-muscle myosin II is a hexamer formed by one pair of heavy chains (MHCs) and two pairs of light chain (MLC20 and MLC17). The actomyosin activity is dependent on MLC20 and MHCs phosphorylation. There are three isoforms of MHCs (MHCIIA, MHCIIB and MHCIIC) which have common but also distinctive roles in several cellular processes. Our aim is to clarify the structural and contractile functions of each isoforme of myosin II in different cellular processes, in particular, cell contraction and cell morphology. First, we studied the implication of myosin II isoforms in cell shrinkage and detachment during apoptosis which are both dependent on actomyosin contractility. We treated four different cell lines with TNFα in combination with cycloheximide (CHX) to trigger apoptosis. We confirmed that TNFα induced caspase-3 activation, ROCK1 cleavage and increased MLC20 phosphorylation. We showed that TNFα/CHX induced the caspase-dependent MHCIIA degradation, whereas MHCIIB levels and association with the actin cytoskeleton remained virtually unchanged. Cell shrinkage and detachment were blocked by caspase and ROCK1 inhibitors. Using the MHCIIB (-/-) cell line, we observed that the absence of MHCIIB did not affect cell death rate. However, MHCIIB (-/-) fibroblasts showed more resistance to TNFα-induced actin disassembly, cell shrinkage and detachment than wild type (Wt) fibroblasts, indicating the participation of MHCIIB in these events. PKCζ, which only phosphorylates MHCIIB, was cleaved during apoptosis, co-immunoprecipitated preferentially with MHCIIB and, interestedly, PKCζ inhibition blocked TNFα-induced shrinkage and detachment. Our results demonstrate that MHCIIB, together with MLC phosphorylation and actin, constitute the actomyosin cytoskeleton that mediates contractility during apoptosis. Second, we studied the involvement of myosin II isoforms in cell shape modulation. Fibroblasts MHCIIB (-/-) spontaneously formed lamellipodia whereas Wt fibroblasts presented a stellate shape. Cortactin was associated with the leading edge of lamellipodia in MHCIIB (-/-) fibroblasts, but it localised diffusely in the cytoplasm or at the end of fine cellular projections in Wt fibroblasts. The levels of cortactin and cortactin phosphorylated in Tyr421 associated with membrane in MHCIIB (-/-) fibroblasts were higher than in Wt fibroblasts. Confocal microscopy showed cortactin/MHCIIA colocalization in wild type but not in MHCIIB (-/-) fibroblasts. bFGF activates Erk1/2 in wild type and MHCIIB (-/-) fibroblasts and induces the formation of aberrant membrane projections in MHCIIB (-/-) fibroblasts. In conclusion, our results contribute to characterize the structural and contractile role of each myosin II isoforms in the physiology of the cell.

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Cette thèse interdisciplinaire a été dédiée à la caractérisation des propriétés mécaniques de myoblastes (murins et humains) et de myotubes (murins) à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). En modifiant ou en inhibant la dynamique du cytosquelette (CSK) d’actine de ces cellules, nous avons pu montrer que ces propriétés mécaniques variaient. L’enregistrement de courbes de force indentation nous a permis de montrer que la présence de cellules adhérentes introduisait sur les leviers d’AFM un amortissement visqueux supplémentaire à celui d’une paroi solide, et que cet amortissement visqueux dépendait de sa vitesse d’approche et que celui-ci restait non négligeable pour les plus faibles vitesses (1μm/s). Nous avons observé que les propriétés mécaniques des précurseurs de muscles devenaient non linéaires (comportement plastiques) pour des grandes déformations (>1μm) et qu’elles dépendaient de l’état, du type de cellule et de leur environnement. En combinant des expériences d’AFM, des modèles visco-élastiques et des méthodes d'analyse multi-échelle basées sur la transformation en ondelettes, nous avons illustré la variabilité des réponses mécaniques de ces cellules (de visco-élastiques à visco-plastiques). À l'aide de courbes de force-indentation, de l’imagerie morpho-structurale (DIC, microscopie à fluorescence) et de traitements pharmacologiques, nous avons éclairé le rôle essentiel des processus actifs (dépendants de l’ATP) dans la mécanique de myoblastes, en discutant tout particulièrement ceux des moteurs moléculaires (myosine II) couplés aux filaments d’actine. En particulier, nous avons montré que les fibres de stress du cytosquelette d’actine situées autour du noyau pouvaient présenter des évènements de remodelage soudains (ruptures) et que ces ruptures étaient une mesure indirecte de l’aptitude de ces cellules à tendre leur CSK. Nous avons enfin montré qu’il était possible de généraliser cette approche à des cas cliniques humains, en l’occurrence des myoblastes primaires de porteurs sains et de patients atteints de dystrophie musculaire de Duchenne, ouvrant la voie à des études plus larges sur d’autres types cellulaires et pathologies. / This interdisciplinary thesis was dedicated to the atomic force microscopy (AFM) characterization of the mechanical properties of myoblasts (murine and human) and myotubes (murine). We reported that the mechanical properties of these cells were modified when their actin cytoskeleton (CSK) dynamics was inhibited or altered. Recording single AFM force indentation curves, we showed that adherent layers of myoblasts and myotubes introduced on the AFM cantilever an extra hydrodynamic drag as compared to a solid wall. This phenomenon was dependent on the cantilever scan speed and not negligible even at low scan velocities (1μm/s). We observed that the mechanical properties of the muscle precursor cells became non-linear (plastic behaviour) for large local deformations (>1μm) and that they varied depending on the state, type and environment of the cells. Combining AFM experiments, viscoelastic modeling and multi-scale analyzing methods based on the wavelet transform, we illustrated the variability of the mechanical responses of these cells (from viscoelastic to viscoplastic). Through AFM force indentation curves analysis, morpho-structural imaging (DIC, fluorescence microscopy) and pharmacological treatments, we enlightened the important role of active (ATP-dependent) processes in myoblast mechanics, focusing especially on those related to the molecular motors (myosin II) coupled to the actin filaments. In particular, we showed that the perinuclear actin stress fibers could exhibit some abrupt remodelling events (ruptures), which are characteristic of the ability of these cells to tense their CSK. Finally, we showed that this approach can be generalized to some human clinical cases, namely primary human myoblasts from healthy donors and patients affected by Duchenne muscular dystrophy, paving the way for broader studies on different cell types and diseases.